Coordonnées de Boyer-Lindquist

Les coordonnées de Boyer-Lindquist[N 1] sont un système de coordonnées d'espace-temps utilisées pour écrire la métrique du trou noir de Kerr[2] ou d'un trou noir de Kerr-Newmann[3]. Elles généralisent les coordonnées de Schwarzschild[2],[3] : elles sont singulières à l'horizon des événements du trou noir[4]. Elles minimisent le nombre des composantes hors diagonale de la métrique[5],[6]. Elles sont adaptées aux symétries du trou noir : sa stationarité et sa symétrie axiale[7].

Présentation

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La notation usuelle des coordonnées est (t, r, θ, ϕ)[2],[8] ou (ct, r, θ, ϕ)[9],[10] avec[11] :

  •  ,
  •  ,
  •  ,
  •  .

La métrique de Kerr admet deux champs de vecteurs de Killing, notés   et   et respectivement associés à la stationnarité et à la symétrie axiale[12]. Les coordonnées de Boyer-Lindquist sont construites de sorte que les composantes   et   de   et   soient   et  [12]. Ainsi les produits scalaires des vecteurs de Killing sont donnés par les composantes de la métrique[13] :

 .

Le changement de coordonnées des coordonnées de Boyer-Lindquist (r, θ, ϕ) vers les coordonnées cartésiennes (x, y, z), est donné par[14],[15] :

x = r2 + a2 sin θ cos ϕ,
y = r2 + a2 sin θ sin ϕ,
z = r cos θ,

a est le rapport entre le moment angulaire et la masse : a = J/M (voir trou noir de Kerr pour plus de détails).

Les coordonnées de Boyer-Linquist sont adaptées à un feuilletage 3 + 1 — dit feuilletage de Boyer-Linquist[N 2] — d'un espace-temps axisymétrique. Elles permettent d'exprimer la métrique sous la forme[18] :

 .

La représentation matricielle des coefficients de la métrique est ainsi[18] :

 

  est la fonction lapse[19].   est le vecteur shift[19].

Dans l'expression d'une métrique en coordonnées de Boyer-Lindquist, on trouve un paramètre et des fonctions.

  est le paramètre de Kerr[20]. Il est défini par  [21],[22]  est la masse et   est le moment cinétique[20] ; et est homogène à une longueur[20].

Deux principales fonctions

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  et   sont deux fonctions qui apparaissent dans l'expression d'une métrique en coordonnées de Boyer-Lindquist. Par construction de celles-ci, la métrique est singulière pour   ou  [2],[9].

  est une fonction des deux coordonnées   et   :  [23],[24],[25]. Elle est donnée par :  , tant pour la métrique de Kerr[26],[27] que pour celle de Kerr-Newman[28],[29]. Elle est définie de sorte que les composantes   et   s'annulent pour  [30]. C'est le cas pour  [2].

  est une fonction de la coordonnée   :  [23],[24],[31]. Elle est définie de sorte que la composante   devienne singulière pour  [30]. C'est le cas pour   et  [2]. Les surfaces de coordonnées   sont deux horizons. La surface de coordonnée   est l'horizon des événements du trou noir[32] ; celle de coordonnée   est son horizon de Cauchy[32].

Troisième fonction

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Une troisième fonction apparaît souvent dans l'expression d'une métrique en coordonnées de Boyer-Lindquist. Elle est notée  [33],[34],[35]. Dans le cas de la métrique de Kerr, elle est définie par[33],[34],[35] :  . Il en est de même dans le cas de la métrique de Kerr-Newman[36].

Autres fonctions

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 ,   et   sont trois autres fonctions qui apparaissent dans l'expression d'une métrique en coordonnées de Boyer-Lindquist[37].

  est la fonction lapse déjà rencontrée[38].   est le rayon cylindrique[38] :   est la circonférence d'un cercle autour de l'axe de symétrie[39].   est la vitesse angulaire des ZAMOs[38] :  . Dans le cas de la métrique de Kerr[37] :

 [40] ;
 [40] ;
  ;
 .

Les composantes de la métrique sont reliées aux fonctions[39]. Dans le cas de la métrique de Kerr[41] :

 [18] ;
 [18],[42] ;
 [42] ;
 [42].
 [18].

Histoire

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Les éponymes des coordonnées de Boyer-Lindquist[43] sont Robert H. Boyer (-) et Richard W. Lindquist[1],[3],[44].

Notes et références

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  1. En anglais : Boyer–Lindquist coordinates, abrégé en BL coordinates[1].
  2. En anglais : Boyer−Lindquist foliation[16],[17].

Références

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  1. a et b Meier 2012, 2e part., chap. 7, sec. 7.5, § 7.5.1, p. 235.
  2. a b c d e et f Maggiore 2018, chap. 12, sec. 12.5, § 12.5.1, p. 169.
  3. a b et c Misner, Thorne et Wheeler 1973, chap. 33, § 33.2, p. 877.
  4. Misner, Thorne et Wheeler 1973, chap. 33, § 33.2, encadré 33.2, II, E, 2, p. 880, col. 2.
  5. Rahaman 2021, chap. 10, sec. 10.7, p. 280.
  6. Romano et Furnari 2019, chap. 15, sec. 15.6, p. 423.
  7. Misner, Thorne et Wheeler 1973, chap. 33, § 33.4, p. 892.
  8. Thorne et Blandford 2021, chap. 26, sec. 26.5, § 26.5.1, p. 1278.
  9. a et b Lambourne 2010, chap. 6, sec. 6.3, § 6.3.1, p. 193.
  10. Soffel et Han 2019, chap. 6, sec. 6.3, § 6.3.1, p. 213.
  11. Gourgoulhon 2023, chap. 10, sec. 10.2, § 10.2.1, p. 312.
  12. a et b Maggiore 2018, chap. 12, sec. 12.5, § 12.5.1, p. 171, n. 55.
  13. Lasota 2016, no 1.6.1.1, p. 42 (1.148).
  14. Hobson, Efstathiou et Lasenby 2009, chap. 13, § 13.6, p. 316.
  15. Romano et Furnari 2019, 4e part., chap. 15, § 15.6, p. 423.
  16. Gajic 2017, sec. 1, § 1.3, no 1.3.3, p. 4015.
  17. Parfrey et Tchekhovskoy 2017, sec. 3, p. 2, col. 2.
  18. a b c d et e Menon et Dermer 2011, annexe A, A.1, p. 1103, col. 2.
  19. a et b Komissarov 2004, sec. 2, p. 429, col. 1.
  20. a b et c Maggiore 2018, § 15.5.1, p. 169.
  21. Lawrie 2013, § 4.5.3 (4.70), p. 125.
  22. Maggiore 2018, § 15.5.1 (12.286), p. 169.
  23. a et b Belgiorno, Cacciatori et Faccio 2018, § 1.2.2 (1.34), p. 10.
  24. a et b Lawrie 2013, § 4.5.3 (4.69), p. 125.
  25. Maggiore 2018, chap. 12, sec. 12.5, § 12.5.1 (12.287), p. 169.
  26. Deza et Deza 2014, IVe partie, chap. 26, sec. 26.2, s.v. Kerr metric, p. 578.
  27. Jetzer 2022, chap. 4, sec. 4.1, introduction, p. 113 (4.1).
  28. Deza et Deza 2014, IVe partie, chap. 26, sec. 26.2, s.v. Kerr-Newman metric, p. 579.
  29. Jetzer 2022, chap. 4, sec. 4.1, § 4.1.2, p. 115 (4.13).
  30. a et b Heinicke et Hehl 2017, sec. 3, § 3.4, introduction, p. 152.
  31. Maggiore 2018, chap. 12, sec. 12.5, § 12.5.1 (12.288), p. 169.
  32. a et b Heinicke et Hehl 2017, sec. 3, § 3.4, no 3.4.1, p. 152.
  33. a et b Chandrasekhar 1978, § 2, p. 406 (3).
  34. a et b Dermer et Menon 2009, chap. 15, sec. 15.3, introduction, p. 385.
  35. a et b Thorne et al. 1986, sec. A, § 1, p. 70 (3.5).
  36. Jetzer 2022, chap. 4, sec. 4.1, § 4.1.3, p. 115 (4.14).
  37. a et b Thorne et Blandford 2021, chap. 26, sec. 26.5, § 26.5.1, p. 1278 (26.70b).
  38. a b et c Cotopoulos 2014, sec. 9.3, p. 232.
  39. a et b Thorne et al. 1986, sec. A, § 1, p. 70.
  40. a et b Menon et Dermer 2011, annexe A, A.1, p. 1104, col. 1.
  41. Thorne et al. 1986, sec. A, § 1, p. 70 (3.6c).
  42. a b et c Dermer et Menon 2009, chap. 15, sec. 15.3, p. 385 (15.23).
  43. Gialis et Désert 2015, Formulaire abrégé de relativité générale, § 2.7, p. 336.
  44. Snygg 1997, chap. 9, § 9.1, p. 246.

Voir aussi

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Bibliographie

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Dictionnaires et encyclopédies

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Liens externes

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